Gravitationsbølgedetektor LIGO er endelig tilbage online med spændende opgraderinger for at gøre det meget mere følsomt

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Efter tre års pause har forskere i USA netop tændt for detektorer, der kan måling af gravitationsbølger- små krusninger ind plads sig selv, der rejser gennem universet.

I modsætning til lysbølger er gravitationsbølger næsten uhindret af galakser, stjerner, gas og støv der fylder universet. Det betyder, at ved at måle gravitationsbølger, astrofysikere som mig kan kigge direkte ind i hjertet af nogle af de mest spektakulære fænomener i universet.

Siden 2020 har Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory - almindeligvis kendt som LINK— har siddet i dvale, mens den gennemgik nogle spændende opgraderinger. Disse forbedringer vil øge følsomheden markant af LIGO og skal gøre det muligt for anlægget at observere fjernere objekter, der producerer mindre krusninger i rumtid.

Ved at detektere flere af de begivenheder, der skaber gravitationsbølger, vil der være flere muligheder for astronomer til også at observere det lys, der produceres af de samme begivenheder. At se en begivenhed gennem flere informationskanaler, kaldes en tilgang multi-messenger astronomi, giver astronomer sjældne og eftertragtede muligheder at lære om fysik langt ud over enhver laboratorietestning.

Et diagram, der viser Solen og Jordens skæve rum. — Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori fordrejer massive objekter rummet omkring dem. Billedkredit: vchal/iStock via Getty Images

Ripples i rumtiden

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori, masse og energi fordrejer formen af rum og tid. Bøjningen af rumtiden bestemmer, hvordan objekter bevæger sig i forhold til hinanden - hvad folk oplever som tyngdekraft.

Gravitationsbølger skabes, når massive objekter som sorte huller eller neutronstjerner smelter sammen med hinanden, der producerer pludselige, store ændringer i rummet. Processen med rumforvridning og bøjning sender krusninger hen over universet som en vinke hen over en stille dam. Disse bølger bevæger sig ud i alle retninger fra en forstyrrelse, minutiøst bøjede rum, mens de gør det, og aldrig så lidt ændrer afstanden mellem objekter på deres vej.

[Indlejret indhold]

Selvom de astronomiske begivenheder, der producerer gravitationsbølger, involverer nogle af de mest massive objekter i universet, er rummets strækning og sammentrækning uendeligt lille. En stærk gravitationsbølge, der passerer gennem Mælkevejen, kan kun ændre hele galaksens diameter med tre fod (en meter).

De første gravitationsbølgeobservationer

Selvom det først blev forudsagt af Einstein i 1916, havde videnskabsmænd fra den æra kun lidt håb om at måle de små ændringer i afstand, som er postuleret af teorien om gravitationsbølger.

Omkring år 2000 færdiggjorde forskere ved Caltech, Massachusetts Institute of Technology og andre universiteter rundt om i verden at konstruere, hvad der i bund og grund er den mest præcise lineal, der nogensinde er bygget -LINK.

Et L-formet anlæg med to lange arme, der strækker sig ud fra en central bygning. — LIGO-detektoren i Hanford, Washington, bruger lasere til at måle den lille strækning af rummet forårsaget af en gravitationsbølge. Billedkredit: LIGO Laboratorium

LIGO består af to separate observatorier, med den ene i Hanford, Washington, og den anden i Livingston, Louisiana. Hvert observatorium er formet som et kæmpe L med to, 2.5 mil lange (fire kilometer lange) arme, der strækker sig ud fra midten af anlægget i 90 grader i forhold til hinanden.

For at måle gravitationsbølger skinner forskerne en laser fra midten af anlægget til bunden af L. Der deles laseren, så en stråle bevæger sig ned ad hver arm, reflekteres fra et spejl og vender tilbage til basen. Hvis en tyngdebølge passerer gennem armene, mens laseren skinner, vil de to stråler vende tilbage til midten på næsten lidt forskellige tidspunkter. Ved at måle denne forskel kan fysikere se, at en gravitationsbølge passerede gennem anlægget.

LIGO begyndte at operere i begyndelsen af 2000'erne, men den var ikke følsom nok til at opdage gravitationsbølger. Så i 2010 lukkede LIGO-teamet midlertidigt anlægget ned for at optræde opgraderinger for at øge følsomheden. Den opgraderede version af LIGO startede indsamling af data i 2015 og næsten med det samme detekterede gravitationsbølger fremstillet ved sammensmeltningen af to sorte huller.

Siden 2015 har LIGO gennemført tre observationsløb. Den første, kørte O1, varede omkring fire måneder; den anden, O2, omkring ni måneder; og den tredje, O3, kørte i 11 måneder, før COVID-19-pandemien tvang faciliteterne til at lukke. Startende med kørsel O2 har LIGO observeret sammen med en Italiensk observatorium kaldet Jomfruen.

Mellem hver kørsel forbedrede forskerne de fysiske komponenter i detektorerne og dataanalysemetoderne. Ved afslutningen af kørsel O3 i marts 2020 havde forskere i LIGO- og Jomfru-samarbejdet opdaget omkring 90 gravitationsbølger fra sammensmeltningen af sorte huller og neutronstjerner.

Observatorierne har stadig endnu ikke opnået deres maksimale designfølsomhed. Så i 2020 lukkede begge observatorier ned for opgraderinger endnu engang.

To personer i hvidt laboratorietøj, der arbejder på kompliceret maskineri. — Opgraderinger til det mekaniske udstyr og databehandlingsalgoritmer skulle gøre det muligt for LIGO at detektere svagere gravitationsbølger end tidligere. Billedkredit: LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel, CC BY-ND

At lave nogle opgraderinger

Forskere har arbejdet på mange teknologiske forbedringer.

En særligt lovende opgradering involverede tilføjelse af en 1,000 fod (300 meter) optisk hulrum at forbedre a teknik kaldet klemning. Klemning gør det muligt for forskere at reducere detektorstøj ved hjælp af lysets kvanteegenskaber. Med denne opgradering skulle LIGO-holdet være i stand til at detektere meget svagere gravitationsbølger end før.

Mine holdkammerater og jeg er data scientists i LIGO-samarbejdet, og vi har arbejdet på en række forskellige opgraderinger til software, der bruges til at behandle LIGO-data og de algoritmer, der genkender tegn på gravitationsbølger i disse data. Disse algoritmer fungerer ved at søge efter mønstre, der matcher teoretiske modeller af millioner af mulige sorte hul- og neutronstjernefusionsbegivenheder. Den forbedrede algoritme skulle lettere kunne udvælge de svage tegn på gravitationsbølger fra baggrundsstøj i dataene end de tidligere versioner af algoritmerne.

En GIF, der viser en stjerne, der lysner i løbet af et par dage. — Astronomer har fanget både gravitationsbølger og lys produceret af en enkelt begivenhed, sammensmeltningen af to neutronstjerner. Ændringen i lyset kan ses i løbet af et par dage øverst til højre. Billedkredit: Hubble Space Telescope, NASA og ESA

En Hi-Def æra af astronomi

I begyndelsen af maj 2023 begyndte LIGO en kort testkørsel – kaldet en ingeniørkørsel – for at sikre, at alt fungerede. Den 18. maj opdagede LIGO sandsynlige gravitationsbølger produceret af en neutronstjerne, der smelter sammen i et sort hul.

LIGOs 20-måneders observationsløb 04 officielt startede den 24. maj, og det vil senere få selskab af Jomfruen og et nyt japansk observatorium - Kamioka Gravitational Wave Detector, eller KAGRA.

Selvom der er mange videnskabelige mål for dette løb, er der særligt fokus på at detektere og lokalisere gravitationsbølger i realtid. Hvis holdet kan identificere en gravitationsbølgehændelse, finde ud af, hvor bølgerne kom fra og advare andre astronomer om disse opdagelser hurtigt, ville det gøre det muligt for astronomer at pege på andre teleskoper, der indsamler synligt lys, radiobølger eller andre typer data ved kilden af gravitationsbølgen. Indsamling af flere informationskanaler om en enkelt begivenhed—multi-messenger astrofysik-er som at tilføje farve og lyd til en sort-hvid stumfilm og kan give en meget dybere forståelse af astrofysiske fænomener.

Astronomer har kun observeret en enkelt begivenhed i både gravitationsbølger og synligt lys til dato — sammenlægningen af to neutronstjerner set i 2017. Men fra denne enkelte begivenhed var fysikere i stand til at studere udvidelse af universet og bekræfte oprindelsen af nogle af de universets mest energiske begivenheder kendt som gammastråler.

Med run O4 vil astronomer have adgang til de mest følsomme gravitationsbølgeobservatorier i historien og vil forhåbentlig indsamle flere data end nogensinde før. Mine kolleger og jeg håber på, at de kommende måneder vil resultere i én – eller måske mange – observationer med flere budbringere, der vil rykke grænserne for moderne astrofysik.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billedkredit: NASAs Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simuleringsdata, d'Ascoli et al. 2018